高压氢气发生器技术路线评述：从碱性电解到 PEM 电解

   本文详细介绍了高压氢气发生器的两种重要技术路线 —— 碱性电解和质子交换膜（PEM）电解。阐述了它们的工作原理、系统结构，并从产氢效率、氢气纯度、成本、适用场景等多个维度进行了深入对比。同时，探讨了两种技术当前面临的挑战以及未来的发展趋势，旨在为高压氢气发生器技术的研究与应用提供全面的参考。

一、引言

      氢气作为一种清洁、高效的能源载体，在能源转型与工业生产升级的大背景下，其重要性日益凸显。高压氢气在众多领域有着广泛应用，如燃料电池汽车的动力来源、化工合成过程中的重要原料等。高压氢气发生器作为产生高压氢气的核心设备，其技术的发展直接影响到氢气的生产效率、成本以及应用的广泛程度。从早期的传统电解技术到近年来不断发展的膜分离技术，高压氢气发生器技术经历了显著的演进过程。不同技术各有特点，在性能、成本、适用场景等方面存在差异。深入研究和对比这些技术，对于推动高压氢气发生器技术的进一步发展，满足日益增长的氢气需求具有重要意义。

      目前，已经实现商业化应用的电解水制氢技术路线主要有两种，一种是发展最早、商业化应用规模大的碱性电解水制氢，另一种则是起步较晚但发展迅速的 PEM 电解水制氢。本文将围绕这两种技术路线展开详细的评述。

二、碱性电解技术

（1）工作原理

      碱性电解水制氢的基本原理基于在碱性电解质溶液中，通过直流电的作用，促使水分子发生电化学反应从而分解为氢气和氧气。在电解槽中，通常采用氢氧化钾（KOH）或氢氧化钠（NaOH）水溶液作为电解质，以提高溶液的导电性。阳极发生氧化反应，水分子失去电子生成氧气和氢离子，其反应式为：2H2O−4e−⟶O2↑+4H+；阴极则发生还原反应，氢离子得到电子生成氢气，反应式为：4H++4e−⟶2H2↑。总反应式为：通电。在实际运行过程中，为防止氢气和氧气混合引发安全问题，同时确保电解效率，需要在阴阳极之间设置隔膜，隔膜允许电解液中的离子通过，却能有效阻隔气体的相互渗透。

（2）系统结构

      碱性电解水的系统结构较为复杂，主要由电解槽、气液分离器、纯化系统、碱液循环系统、冷却系统、电源、控制及辅助系统等组成。电解液进入电解槽内，在直流电的作用下分解，在电解小室的阴、阳极板上面分别产生氢气、氧气。从电解小室出来的氢气、氧气分别随碱液一起通过极框上各自的汇流通道从电解槽流出，分别经外部管道进入分离器内，在重力作用下，氢（氧）气与碱液在分离器内发生沉降分离，分离出的氢（氧）气在分离器上部得到冷却、洗涤或捕滴，然后经分离器顶部氢氧综合塔除去液滴。氧气进入氧气水分离器进一步分离出液滴后，经氧侧薄膜调节阀后收集或放空。氢气进入氢气水分离器分离出液滴后，再经氢侧薄膜调节阀后收集或进入纯化框架提取物高纯氢。

（3）技术优势

• 成本相对较低：碱性电解水制氢技术成熟，设备结构相对简单，对材料要求不像 PEM 电解那样苛刻，因此初始投资成本相对较低。其电极材料多采用镍基等较为常见且价格相对低廉的材料，同时碱性电解液（如 KOH 溶液）成本也不高。

• 适合大规模应用：经过长期发展，碱性电解水制氢工艺在大规模制氢方面具有丰富的经验。目前已有许多大型碱性电解水制氢工厂投入运营，能够满足一些对氢气需求量大的工业领域，如化工合成氨、炼油等行业的需求。

（4）面临的挑战

• 电解效率受限：碱性电解水制氢的电流密度相对较低，这导致其产氢效率不高。一般情况下，其电流密度在 0.2 - 0.4A/cm² 左右，相比 PEM 电解水制氢的电流密度（可达 1A/cm² 甚至更高）有较大差距。较低的电流密度意味着在相同时间内产生的氢气量较少，从而影响了整体的生产效率。

• 氢氧互混问题：在碱性电解水制氢过程中，由于电解槽阴极和阳极分别产生氢气和氧气，在隔膜两侧存在明显的氢气和氧气浓度梯度，从而持续引发氢氧互串现象。这不仅会导致电流效率降低，还因氢气在电解液中的扩散系数约为氧气的 2 - 3 倍，使得阴极溶解态氢气更易通过隔膜向阳极氧气侧扩散。氢气在电解液中的溶解浓度与制氢系统压力呈正相关，当系统压力升高，溶解态氢气浓度增大，跨隔膜的扩散通量随之上升，氢氧互混情况加剧。此外，在采用 KOH 水溶液作为电解液的碱性电解水制氢系统中，阴极和阳极出口电解液需混合以均衡 KOH 浓度，这进一步促使阴极电解液中的溶解态氢气与阳极电解液中的溶解态氧气发生互混，且随着氢气和氧气压力的升高，互混通量显著增加。按照安全标准，氧中氢体积分数需严格控制在 2%（爆炸低限值 4% 的 50%）以下，否则极易引发爆炸等危险事故。随着制氢压力的提升，氢氧互混管控难度呈指数级增长。

• 设备腐蚀与维护：碱性溶液具有一定的腐蚀性，长期运行会对电解槽的电极、隔膜以及其他部件造成腐蚀，影响设备的使用寿命。为了应对腐蚀问题，需要定期对设备进行维护和更换受损部件，这增加了运行成本和维护工作量。同时，由于腐蚀可能导致设备性能下降，还会间接影响制氢效率和氢气质量。

三、PEM 电解技术

（1）工作原理

      PEM 电解水制氢使用质子交换膜作为固体电解质替代了碱性电解水制氢中的隔膜和液态电解质。其基本原理是，当 PEM 电解槽运行时，水分子会在阳极侧发生氧化反应，失去电子，生成氧气和氢离子。反应式为：2H2O→O2+4H++4e−。氢离子在电场的作用下，穿过质子交换膜传导至阴极，并在阴极侧发生还原反应，得到电子生成氢气，反应式为：4H++4e−→2H2。总反应式同样为通电。反应后的氢气和氧气将通过阴阳极的双极板收集并输送。质子交换膜在其中发挥着关键作用，这种膜不仅可以充当电解质导电，还是一种选择性透过氢离子的隔膜。其内部有磺酸基团为氢离子的传输提供通道，并且其本身是无孔的，因此可以在满足氢离子传输条件的同时具有较高的隔气性，防止生成的氧气与氢气混合。

（2）系统结构

      PEM 电解槽主要部件由内到外依次是质子交换膜、催化层、气体传输层、极板、端板等。其中催化层与质子交换膜组成膜电极，是整个水电解堆物料传输以及电化学反应的主场所，膜电极特性与结构直接影响 PEM 水电解堆的性能和寿命。一个 PEM 电解槽往往由上百个产气小室并联堆叠而成，每个小室都进行着上述的电化学反应，最终将多个小室产生的氢气和氧气汇总收集。在整个系统中，还配备有相应的电源系统为电解反应提供电能，以及冷却系统用于控制电解过程中的温度，确保系统稳定运行。

（3）技术优势

• 高电流密度与高产氢效率：PEM 电解技术能够在高电流密度下工作，一般可达到 1A/cm² 甚至更高，相比碱性电解水制氢的电流密度有显著提升。高电流密度使得单位时间内通过的电量更多，从而加快了水分子的电解速度，产氢效率明显提高。这意味着在相同规模的设备下，PEM 电解水制氢能够在更短的时间内产生更多的氢气，满足一些对氢气产量需求紧迫的应用场景。

• 高氢气纯度：由于质子交换膜的特殊结构和性能，其对气体具有良好的阻隔性，能够有效防止氢气与氧气的混合。PEM 电解技术生成的氢气纯度高，可达到 99.9999%，满足了对氢气纯度要求苛刻的应用场景，如电子工业中半导体制造过程、科研领域的实验需求等。在这些领域，高纯度的氢气对于保证产品质量和实验结果的准确性至关重要。

• 快速响应与宽功率负载：PEM 电解技术能够实现较宽功率的负载，从 5% 到 200% 的负载变化都能稳定运行，这使其与可再生能源发电系统具有良好的耦合性。在太阳能、风能等可再生能源发电不稳定的情况下，PEM 高压氢气发生器可根据电力输入的变化灵活调整产氢量，有效存储多余电能，将其转化为化学能存储在氢气中，实现能源的高效利用与存储。此外，PEM 电解槽的冷启动时间在秒级，能够快速响应电力变化，相比之下，碱性电解槽的启动时间则达到几十分钟。这种快速响应特性使得 PEM 电解水制氢技术在应对可再生能源发电的波动性方面具有明显优势，能够更好地适应电网的变化，提高能源利用效率。

• 环保性好：PEM 电解水制氢可以直接使用纯水作为电解水制氢的原料，避免了碱性电解水制氢中潜在的碱液污染和腐蚀问题。在整个制氢过程中，除了产生氢气和氧气外，几乎不产生其他污染物，符合当前对绿色环保能源生产的要求。

（4）面临的挑战

• 成本高昂：PEM 电解技术的成本主要集中在质子交换膜和催化剂方面。质子交换膜目前多采用全氟磺酸质子交换膜，其制备工艺复杂，成本较高。同时，为了提高电解效率，PEM 电解槽的催化剂通常采用铂基等贵金属催化剂，这些催化剂价格昂贵，进一步增加了设备的初始投资成本。此外，由于质子交换膜和催化剂的使用寿命有限，需要定期更换，这也导致了运行成本的增加。例如，质子交换膜的使用寿命一般在 5 - 10 年左右，催化剂的活性也会随着使用时间逐渐下降，需要在一定时间后进行更换或再生处理，这都使得 PEM 电解水制氢的成本居高不下，限制了其大规模应用。

• 对进水水质要求高：PEM 电解槽对进水水质要求极为严格，水中的杂质、离子等可能会污染质子交换膜和催化剂，影响其性能和使用寿命。因此，在 PEM 电解水制氢系统中，需要配备复杂且昂贵的水预处理系统，对进水进行严格的净化处理，这进一步增加了系统的成本和复杂性。例如，水中的重金属离子可能会吸附在催化剂表面，占据催化活性位点，导致催化剂活性下降；而一些有机物杂质可能会与质子交换膜发生反应，破坏膜的结构和性能。为了防止这些问题的发生，水预处理系统通常需要采用多级过滤、反渗透等技术，确保进入电解槽的水达到高的纯度标准。

四、两种技术路线的对比

（1）性能对比

• 产氢效率：从产氢效率来看，PEM 电解技术由于能够在高电流密度下工作，其产氢效率明显高于碱性电解水制氢技术。PEM 电解水制氢的电流密度可达 1A/cm² 甚至更高，而碱性电解水制氢的电流密度一般在 0.2 - 0.4A/cm² 左右。高电流密度使得 PEM 电解在相同时间内能够分解更多的水分子，产生更多的氢气。

• 氢气纯度：在氢气纯度方面，PEM 电解技术具有绝对优势，可生成纯度高达 99.9999% 的氢气，远超碱性电解水制氢技术。碱性电解水制氢由于存在氢氧互混等问题，其氢气纯度一般在 99% - 99.9% 之间。PEM 电解水制氢中质子交换膜的良好隔气性能有效地阻止了氢气与氧气的混合，从而保证了氢气的高纯度，这对于一些对氢气纯度要求高的应用场景至关重要。

（2）成本对比

• 初始投资成本：在初始投资成本上，碱性电解水制氢技术相对较低。其设备结构简单，对材料要求不高，电极材料多采用镍基等常见且价格相对低廉的材料，碱性电解液（如 KOH 溶液）成本也较低。而 PEM 电解技术由于质子交换膜和催化剂成本高昂，初始投资成本较高。质子交换膜制备工艺复杂，且目前多依赖进口，价格昂贵；铂基等贵金属催化剂的使用也大幅增加了成本。

• 运行成本：在运行成本方面，碱性电解水制氢技术由于电解效率低，能耗较高，且需要定期维护设备以应对电解液的腐蚀问题，运行成本较高。PEM 电解技术虽然效率高，但对进水水质要求高，需要配备复杂且昂贵的水预处理系统，增加了预处理成本，且催化剂和质子交换膜的更换成本也较高。总体而言，目前两种技术在成本方面都存在一定的挑战，降低成本是推动高压氢气发生器技术广泛应用的关键因素之一。

（3）适用场景对比

• 碱性电解水制氢技术：适用于对氢气纯度要求不高、规模较大且对成本较为敏感的工业场景，如一些基础化工原料生产过程中的氢气制备，像合成氨工业，其对氢气纯度要求一般在 99% 左右，碱性电解水制氢技术能够满足需求，且大规模应用时成本优势明显。

• PEM 电解水制氢技术：由于其高纯度氢气产出和与可再生能源的良好耦合性，更适用于对氢气纯度要求苛刻的领域，如电子工业、燃料电池汽车加氢站等。在电子工业中，半导体制造过程需要高纯度的氢气来保证产品质量；在燃料电池汽车加氢站方面，高纯度氢气能够提高燃料电池的性能和寿命。同时，在可再生能源丰富且不稳定的地区，PEM 电解水制氢可作为储能和制氢的有效手段，充分利用可再生能源的波动性电力进行制氢。

五、技术发展趋势

（1）碱性电解技术的改进方向

• 降低电解液电阻和提高电极材料抗腐蚀性能：未来对于碱性电解水制氢技术的研究将集中在降低电解液电阻和提高电极材料的抗腐蚀性能方面。通过研发新型的电解液添加剂或改进电解液配方，降低电解液的电阻，提高电解效率。例如，研究发现某些有机添加剂能够在不影响电解液化学性质的前提下，有效降低其电阻，从而提高电解过程中的电流效率。同时，开发新型的耐腐蚀电极材料，如采用特殊的合金材料或表面涂层技术，延长电极的使用寿命，降低设备维护成本。一些新型镍基合金电极材料在碱性环境下表现出了良好的耐腐蚀性能，能够有效减少因腐蚀导致的电极性能下降问题。

• 优化系统结构与工艺控制：进一步优化电解槽的结构设计，如采用零极距或小极距设计降低欧姆电阻，优化电极表面结构（如多孔镍电极）增加活性表面积，使用复合隔膜材料提高气体分离效率等。在工艺控制方面，通过更精准的温度、压力、电解液浓度控制，提高系统的稳定性和制氢效率。例如，采用先进的自动化控制系统，实时监测和调整电解过程中的各项参数，确保系统始终运行在最佳状态。

（2）PEM 电解技术的创新路径

• 降低质子交换膜和催化剂成本：降低质子交换膜和催化剂的成本是 PEM 电解技术发展的关键。一方面，研究人员致力于开发新型的质子交换膜材料，如复合膜、功能化膜等，在保证质子传导性能的同时，降低膜的成本。一些新型复合质子交换膜通过将不同材料复合，既提高了膜的性能，又降低了生产成本。另一方面，寻找高效、稳定且价格低廉的非铂基催化剂替代传统的铂基催化剂成为研究热点。例如，过渡金属磷化物、硫化物、氮化物等非铂基催化剂的研究取得了一定进展，通过优化催化剂的结构和制备工艺，提高其催化活性和稳定性，有望降低 PEM 电解技术的成本，促进其大规模应用。

• 提高系统性能与可靠性：通过改进膜电极的制备工艺，提高电极与质子交换膜的贴合度和稳定性，降低界面电阻，提高系统的整体性能。同时，加强对系统的密封技术研究，提高系统在高压、高电流密度下的运行可靠性。例如，采用新型的密封材料和结构设计，有效防止气体泄漏，确保系统的安全稳定运行。

（3）多种技术的融合趋势

      未来高压氢气发生器技术的发展趋势是多种技术的融合。例如，将传统电解技术与膜分离技术相结合，先通过电解技术产生氢气，再利用膜分离技术对氢气进行进一步的提纯和净化，以获得更高纯度的氢气，满足不同应用场景的需求。在能源利用方面，将高压氢气发生器与储能系统相结合，利用可再生能源在发电过剩时进行制氢，并将氢气储存起来，在能源需求高峰时，通过燃料电池等装置将氢气转化为电能，实现能源的存储和灵活调配。此外，还可以将人工智能、大数据等先进技术应用于高压氢气发生器的运行控制和管理，通过对大量运行数据的分析和挖掘，实现设备的优化运行和故障预测，提高系统的智能化水平和可靠性。

六、结论

      碱性电解和 PEM 电解作为高压氢气发生器的两种重要技术路线，各自具有独特的优势和面临的挑战。碱性电解技术成本相对较低，适合大规模应用，但存在电解效率受限、氢氧互混以及设备腐蚀等问题；PEM 电解技术具有高电流密度、高氢气纯度、快速响应和宽功率负载等优势，但成本高昂，对进水水质要求严苛。从性能、成本和适用场景的对比来看，两者在不同方面各有优劣。在性能上，PEM 电解的产氢效率和氢气纯度显著优于碱性电解；成本方面，碱性电解初始投资低，但运行成本高，PEM 电解则因关键材料成本问题，初始投资与运行成本均居高不下；适用场景中，碱性电解适用于对氢气纯度要求不高的大规模工业场景，PEM 电解更契合对氢气纯度要求苛刻以及与可再生能源结合的应用场景。

      展望未来，两种技术都在积极探索改进方向。碱性电解技术聚焦于降低电解液电阻、提升电极材料抗腐蚀性能以及优化系统结构与工艺控制，以提高电解效率和设备稳定性；PEM 电解技术则致力于开发新型质子交换膜材料和非铂基催化剂，降低成本的同时，提升系统性能与可靠性。同时，多种技术的融合趋势日益明显，将传统电解技术与膜分离技术相结合，以及利用先进技术实现设备的智能化运行和管理，有望为高压氢气发生器技术带来新的突破，推动其在能源转型和工业升级中发挥更大作用，满足不断增长的氢气需求，并为可持续发展提供有力支持 。

产品展示

      SC-HPH高压氢气发生器是针对制药､精细化工､高校科研等行业研发的一款紧凑型实验室仪器;采用质子交换膜(SPE)电解制氢,直接电解纯水,无需增压泵,经过多级净化,得到高压高纯氢气｡仪器内置多个高灵敏度压力､温度､液位传感器，结合嵌入式操作系统，使维护更简便,使用更安全,操作更友好,可替代氢气钢瓶｡

产品特点：

电解纯水制氢,无需加碱,纯度高达99.999-99.9999%

4.3寸LCD触摸屏,显示各种运行参数,压力流量一体式控制算法,自动化程度高

可自动补水,自动净化水质,氢气泄露及高压报警,安全系数高

固态电解槽,贵金属催化剂,寿命长,高压下不变形,不漏水

    SPE电解制氢技术是通过直接电解纯水产生高纯氢气（不加碱），电解池只电解纯水即可产氢。通电后，在电解池的阴极产氢气，阳极产氧气，氢气进入氢-水分离器进行气液分离。氧气排入大气。氢-水分离器将氢气和水分离。氢气进入干燥器除湿后，经稳压阀、调节阀调整到额定压力由出口输出。电解池的产氢压力由传感器控制在设定值，当压力达到设定值时，电解池电源供应切断；压力下降，低于设定值时电源恢复供电产氢，维持压差，维持氢气稳压稳流持续输出。